初探“卓越計劃”下的大學物理教學

李文勝 張 琴 黃海銘

（湖北汽車工業學院理學系，湖北 十堰 442002）

2010年6月啟動的“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”）是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》和《國家中長期人才發展規劃綱要》的重大改革項目.此計劃對培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，全面提高工程教育人才培養質量具有十分重要的示范和引導作用.為順利實施“卓越計劃”，作為工科院校主要基礎課程的大學物理理應有所作為.因此，如何根據“卓越計劃”的宗旨，依照高質量工程技術人才的內涵和學院各自的特點開展大學物理教學，是我們所面臨的一個嶄新的任務.

1 教學中注重對學生人文素質的培養

20 世紀初的學術巨匠，是一批學貫中西的人；21 世紀的大師，將出自那些文理兼通的人［1］.顯然，高質量工程技術人才首先應有較高的人文素養.因此作為大學基礎課程的大學物理，在注重培養學生科學素質的同時也應該兼顧對學生人文素質的培養.然而，人文素質的內涵十分豐富，它包含行為規范和道德情操兩個層次，在大學物理教學中不可能也不必顧及上述兩個層次的各個方面，以免喧賓奪主，牽強附會.而要依據大學物理教學的內容和特點，因勢利導把對學生人文素質的培養滲透到整個教學中，做到潤物無聲，取得實效.為此，我們作了以下嘗試.

1.1 不失時機對學生進行優秀傳統文化熏陶

我國優秀的傳統文化豐富厚重，是對學生進行人文素質教育的絕好的素材.在大學物理教學中，不忘對學生進行優秀傳統文化的熏陶，是筆者在“卓越計劃”試點班開展物理教學的有益嘗試.如在上緒論課時，除講述有關內容外，還和學生一起討論《論語》中的“凡事豫則立，不豫則廢.言前定，則不跲；事前定，則不困；行前定，則不疚；道前定，則不窮.”的現實意義，告誡學生要盡早樹立明確的學習目的，作好學業規劃；在講授動量定理時，除講授基本理論外，還強調積累的作用，并結合荀子《勸學篇》中的“騏驥一躍，不能十步；駑馬十駕，功在不舍.鍥而舍之，朽木不折；鍥而不舍，金石可鏤.”的有關內容.告知學生在學習上要善于“積跬步以成千里”，較好地完成自己的學業.在講授熱力學第二定律和熵增原理時，把熵增原理和我國道教學說的創始人老子的“治人、事天，莫若嗇.”［2］的“嗇”思想結合起來，告訴學生為人處世的基本準則.既使學生切實認識到了我國優秀傳統文化強大的生命力，也讓他們深刻體會到了自然科學中所包含的深厚的人文底蘊；在講授混沌中的“蝴蝶效應”時，除給學生介紹混沌和“蝴蝶效應”的有關知識外，還著重強調“蝴蝶效應”對我們人生成長的指導意義，幫助學生從中吸取知識以外的精神營養，告訴學生在日常的生活中要從大處著眼，小處著手，規范自己的行為舉止，注意修身養性，防微杜漸，“不以善小而不為，不以惡小而為之”，以指導他們逐步成為一個高尚的人；當學生學習遇到困難時，我們就給他們講《中庸》中：“人一能之，己百之；人十能之，己千之.果能此道矣，雖愚必明，雖柔必強.”的道理，以幫助其找到克服困難的勇氣和方法.通過以上嘗試，取得了較好的效果，正如“卓越計劃”試點班的同學所說，上這樣的物理課，不僅學到了相應的物理知識，還使我們看到了我國優秀傳統文化的強大生命力及其對我們健康成長的滋養作用.

1.2 利用物理學史培養學生良好的意志品德

從某種意義上講，意志品德是人文素質的重要內涵之一，因此良好的意志品德是高質量人才不可或缺的重要因素.況且現代社會競爭越來越激烈，學生畢業后的就業壓力也有增無減，他們所承受的壓力也越來越大，這對他們的意志品德是一個不小的考驗.而現在的大學生絕大多數都是從學校到學校，大都沒有經受過什么磨礪，有些學生的意志還相當脆弱，從某種意義上講這也是他們人文素質方面的缺憾.而物理學上的古圣先哲們，為了物理學的發展而百折不撓，孜孜追求的大量史實，正是在大學物理教學中對學生進行意志品德培養的良好素材.

居里夫人為研究物質的放射性，歷時4年，艱苦卓絕，先后試驗5670余次，熬干瀝青8噸多，最終得到氯化鐳0.12g［3］，其堅韌不拔的意志可歌可泣；愛因斯坦從提出“追光佯謬”到完成狹義相對論的十余年間，殫精竭慮，終成開創物理學新紀元的長篇論文《論動體的電動力學》［4］，其鍥而不舍的精神可敬可嘆；邁克耳孫等物理學先哲們為尋求以太，先后實驗49年（從1881—1930年），足跡遍及歐美大地，雖無果而終［5］，但其愚公移山的精神依然可圈可點.這樣的事例還有很多.在大學物理教學中，根據教學內容適時加入這樣的物理學史，既可以讓學生們看到有關理論創立的曲折歷程和物理學前輩們為創立這些理論所付出的艱苦努力，更可以對學生的意志品德起到很好的潛移默化的教育作用.

2 在大學物理教學中引入數值計算

隨著時代的發展，計算機越來越普及，利用計算機處理實際工程問題是高質量工程技術人才的基本素質.為了奠定學生利用計算機處理實際問題能力的基礎，筆者在大學物理教學中適當引入數值計算，取得了良好的效果.

2.1 利用數值計算整合教學內容

在大學物理教材中，有些內容大綱要求不高，但棄之不妥，講之又得不償失.而利用數值計算的方法講授，可以收到事半功倍的效果.如機械振動中的阻尼振動、受迫振動和共振等內容，在實際教學中筆者是這樣處理的.先引導學生對“單擺”模型在最一般的情況（存在阻力和周期性外力）下進行受力分析，從而建立其微分方程并寫出其解的迭代形式.最后利用C語言編程求解，把分別代表阻尼大小、周期性外力特征的參數取不同的值，程序運行后即可得到對應的簡諧振動、小阻尼、過阻尼、臨界阻尼、受迫振動、共振等情況.圖1為阻尼振動的3種情況.

圖1 阻尼振動的3種情況

2.2 利用數值計算模擬有關物理現象

教學內容中有些物理現象如平拋、斜拋運動、機械振動中的兩垂直振動的疊加、光學中的圓偏振光等都是動態的，如果用傳統的粉筆加黑板講授，往往事倍功半，而利用數值計算，并進行計算機模擬，則可以收到良好的效果.具體方法是對所討論的問題先建立相應的模型，并用C語言編程，讓學生選擇不同的參數，看參數對輸出結果的影響.

圖2 “百發百中”問題

如在講解斜拋運動時就選擇了所謂“百發百中”的問題，如圖2所示.程序在課堂上運行前，讓學生選擇參數V0，s，h，θ，并驗證當V0＞滿足時，便可“百發百中”.在講解兩不同頻率的諧振動垂直疊加而成的李薩如圖形時，也是讓學生選擇兩個諧振動的頻率，從而根據輸出結果，驗證兩頻率ωx、ωy和兩切點數Nx、Ny（Nx、Ny分別為水平和垂直方向切線的切點數）之間的所滿足的關系.并通過選擇兩諧振動之間的初相位差，可以畫出教材中所給出的李薩如圖形.通過這樣的講授方法，生動有趣，特別是學生的參與，活躍了課堂氣氛，增強了師生間的互動，加深了學生對有關內容的理解.

2.3 利用數值計算講授有關物理概念

有些物理概念比較抽象，學生理解存在困難，而利用數值計算，可以使抽象的概念形象化.如在講授振動中的“拍”時，就利用C程序，按“拍”形成的條件：兩個振動方向相同，頻率較大，但頻率差較小的諧振動的疊加進行模擬，從而形象地表示出振幅隨時間呈周期性變化的所謂“拍”現象.在講授駐波中的“波腹”、“波節”時，就模擬兩個頻率相同、振幅相同、傳播方向相反的諧波的疊加，如圖3所示.圖3給出的是駐波某時刻的靜態圖，真正課堂上的輸出結果是一隨時間變化的圖像.在變化過程中，教室的所有學生都可以清楚地看到，在圖像的變化過程中，有些點（“波節”）始終不動，而有些點（“波腹”）其振幅有最大值.這種生動形像的圖形給講授有關概念帶來了極大的方便.

圖3 駐波的形成及“波節”“波腹”

2.4 利用數值解解決一些比較復雜的計算

教學中有些方程無法求其解析解，有些函數計算不易，如講授混沌時遇到的非線性方程，講授光柵單縫、衍射時的超越方程等，而利用數值計算不難解決這類問題.如對于非線性方程先推導出其數值解的形式，然后編程求解.圖4給出了兩個初始條件稍有差別的非線性方程解的結果.利用此圖可以很方便地講解混沌中的特 有 現 象 “蝴 蝶 效應”——非 線 性 方 程 的解對初始條件的敏感性.

圖4 非線性方程的輸出結果

把數值計算引入大學物理教學，整合了有關教學內容，提高了教學效率.特別是數值計算的引入，打破了解析解在教材中的一統天下，給低年級學生展示了一種全新的計算方法.這對他們利用計算機處理實際問題的興趣和能力的培養，具有不可低估的作用.

3 在大學物理教學中注重理論聯系實際

為激發學生的學習興趣，我們在大學物理教學中，注意把前沿科學成果引入課堂，理論聯系實際.如在講授自然界的4種相互作用時，我們就介紹了2004年諾貝爾物理獎的“漸近自由”理論；在講授摩擦力時講解了摩擦焊接；如在講授剛體轉動時，結合角動量定律，講解打擊中心和網球運動中要注意的問題及“網球肘”的成因；講授熱力學時介紹空氣能熱水器的原理；在講授電磁感應時，介紹電磁爐原理；在講授光的干涉時，介紹了用干涉條紋變化監測大壩、橋梁安全的方法及原理；在講授光柵衍射時就介紹了相控陣雷達的原理及其特點；在講授黑體輻射時，介紹了紅外探測及隱身…….這些舉措既開闊了學生的視野，又使學生看到了物理理論的具體應用，還為培養他們擴展、遷移知識的能力奠定了良好的基礎.

此外，在教學方法上，根據教學的進程，筆者先后采取了啟發式、引導式、討論式和探究式.

首先，依據大學物理教學大綱、教材、學生專業與其人才培養特點以及學生實際水平和認知規律，對教學內容進行適當的調整，第一學期大學物理的內容以經典為主，學生對此部分物理理論及規律較為熟悉.因此，學習的側重點則放在建立物理模型和高等數學的應用上.在實際上課過程中，主要采用了啟發式教學方法.

物理模型建立起來后，指導學生對模型進行研究，引導其找出模型的特點、需要用哪些物理量來進行描述，然后從各方面討論其性質與物理規律，該階段主要采用了引導式教學方法.

經過一個學期的學習，學生已有了一定的建立物理模型和利用高等數學處理物理問題的能力.第二學期將學習的側重點放在將物理理論知識聯系實際案例、提高學生的科學研究能力、語言表達能力方面.在實際授課過程中，此階段主要采用了討論式、探究式教學方法.在教學后期，還特意安排了學生展示，讓學生宣讀物理結業論文.在教學的全過程，我們始終注重師生互動，讓學生積極參與到教學之中.

4 結論

為使大學物理課程更好地服務于“卓越計劃”，根據高質量工程技術人才的基本內涵，對大學物理的教學進行了有益的探索.在教學中注重對學生人文素質的培養，奠定了他們成才的基礎；數值計算的引入，初步培養了作為高質量工程技術人才所必需的利用計算機處理實際問題的能力；在教學中理論聯系實際，既讓學生看到了物理知識在實際中的具體應用，又激發了他們學習物理的興趣，還為培養其擴展、遷移知識的能力奠定了良好的基礎.相應教學方法的改革，注重了學生參與、師生互動.大學是人才的搖籃，教書育人是高等教育永恒的主題.如何以課程為載體，把教書育人落到實處，需要我們不斷地研究探索.

［1］倪光炯，王炎森.物理與文化［M］.北京：高等教育出版社，2010：21－23.

［2］老聃.老子［M］.太原：山西古籍出版社，2003：87.

［3］周遠清，季羨林.中國大學人文啟示錄（第三卷）［M］.武漢：華中理工大學出版社，1999：88.

［4］周遠清，季羨林.中國大學人文啟示錄（第三卷）［M］.武漢：華中理工大學出版社，1999：79.

［5］北京物理學會.《物理學史》專題講座匯編［M］.北京：高等教育出版社，1983：217.